The primary somatosensory cortex largely contributes to the early part of the cortical response elicited by nociceptive stimuli.

Research on the cortical sources of nociceptive laser-evoked brain potentials (LEPs) began almost two decades ago (Tarkka and Treede, 1993). Whereas there is a large consensus on the sources of the late part of the LEP waveform (N2 and P2 waves), the relative contribution of the primary somatosensory cortex (S1) to the early part of the LEP waveform (N1 wave) is still debated. To address this issue we recorded LEPs elicited by the stimulation of four limbs in a large population (n=35). Early LEP generators were estimated both at single-subject and group level, using three different approaches: distributed source analysis, dipolar source modeling, and probabilistic independent component analysis (ICA). We show that the scalp distribution of the earliest LEP response to hand stimulation was maximal over the central-parietal electrodes contralateral to the stimulated side, while that of the earliest LEP response to foot stimulation was maximal over the central-parietal midline electrodes. Crucially, all three approaches indicated hand and foot S1 areas as generators of the earliest LEP response. Altogether, these findings indicate that the earliest part of the scalp response elicited by a selective nociceptive stimulus is largely explained by activity in the contralateral S1, with negligible contribution from the secondary somatosensory cortex (S2).

Pain perception: Is there a role for primary somatosensory cortex?

Anatomical, physiological, and lesion data implicate multiple cortical regions in the complex experience of pain. These regions include primary and secondary somatosensory cortices, anterior cingulate cortex, insular cortex, and regions of the frontal cortex. Nevertheless, the role of different cortical areas in pain processing is controversial, particularly that of primary somatosensory cortex (S1). Human brain-imaging studies do not consistently reveal pain-related activation of S1, and older studies of cortical lesions and cortical stimulation in humans did not uncover a clear role of S1 in the pain experience. Whereas studies from a number of laboratories show that S1 is activated during the presentation of noxious stimuli as well as in association with some pathological pain states, others do not report such activation. Several factors may contribute to the different results among studies. First, we have evidence demonstrating that S1 activation is highly modulated by cognitive factors that alter pain perception, including attention and previous experience. Second, the precise somatotopic organization of S1 may lead to small focal activations, which are degraded by sulcal anatomical variability when averaging data across subjects. Third, the probable mixed excitatory and inhibitory effects of nociceptive input to S1 could be disparately represented in different experimental paradigms. Finally, statistical considerations are important in interpreting negative findings in S1. We conclude that, when these factors are taken into account, the bulk of the evidence now strongly supports a prominent and highly modulated role for S1 cortex in the sensory aspects of pain, including localization and discrimination of pain intensity.

Gamma oscillatory amplitude encodes stimulus intensity in primary somatosensory cortex

Gamma oscillations have previously been linked to pain perception and it has been hypothesised that they may have a potential role in encoding pain intensity. Stimulus response experiments have reported an increase in activity in the primary somatosensory cortex (SI) with increasing stimulus intensity, but the specific role of oscillatory dynamics in this change in activation remains unclear. In this study, Magnetoencephalography (MEG) was used to investigate the changes in cortical oscillations during 4 different intensities of a train of electrical stimuli to the right index finger, ranging from low sensation to strong pain. In those participants showing changes in evoked oscillatory gamma in SI during stimulation, the strength of the gamma power was found to increase with increasing stimulus intensity at both pain and sub-pain thresholds. These results suggest that evoked gamma oscillations in SI are not specific to pain but may have a role in encoding somatosensory stimulus intensity. © 2013 Rossiter, Worthen, Witton, Hall and Furlong.

Glutamate receptor blockade at cortical synapses disrupts development of thalamocortical and columnar organization in somatosensory cortex.

The segregation of thalamocortical inputs into eye-specific stripes in the developing cat or monkey visual cortex is prevented by manipulations that perturb or abolish neural activity in the visual pathway. Such findings show that proper development of the functional organization of visual cortex is dependent on normal patterns of neural activity. The generalisation of this conclusion to other sensory cortices has been questioned by findings that the segregation of thalamocortical afferents into a somatotopic barrel pattern in developing rodent primary somatosensory cortex (S1) is not prevented by activity blockade. We show that a temporary block of N-methyl-D-aspartate (NMDA) and non-NMDA glutamate receptors in rat S1 during the critical period for barrel development disrupts the topographic refinement of thalamocortical connectivity and columnar organization. These effects are evident well after the blockade is ineffective and thus may be permanent. Our findings show that neural activity and specifically the activation of postsynaptic cortical neurons has a prominent role in establishing the primary sensory map in S1, as well as the topographic organization of higher order synaptic connections.

Lesion-induced reorganization in the brainstem is not completely expressed in somatosensory cortex.

Electrophysiological and neuroanatomical methods were used to determine the extent to which neonatal forelimb removal altered the organization of the cuneate nucleus and representations of the fore- and hindlimbs in the primary somatosensory cortex of adult rats. Neonatal forelimb removal resulted in invasion of the cuneate nucleus by sciatic nerve primary afferents and development of cuneothalamic projection neurons with split receptive fields that included both the hindlimb and forelimb stump. Mapping in the primary somatosensory cortex of the neonatally manipulated adult rats demonstrated abnormalities, but the major change observed in the cuneate nucleus was demonstrable at only a few (5%) cortical recording sites in the remaining stump representation and there were none at all in the hindlimb representation. These results suggest that lesion-induced brainstem reorganization may be functionally suppressed at either the thalamic or cortical level.

Primary and secondary somatosensory cortex responses to anticipation and pain: a magnetoencephalography study

Several brain regions, including the primary and secondary somatosensory cortices (SI and SII, respectively), are functionally active during the pain experience. Both of these regions are thought to be involved in the sensory-discriminative processing of pain and recent evidence suggests that SI in particular may also be involved in more affective processing. In this study we used MEG to investigate the hypothesis that frequency-specific oscillatory activity may be differentially associated with the sensory and affective components of pain. In eight healthy participants (four male), MEG was recorded during a visceral pain experiment comprising baseline, anticipation, pain and post-pain phases. Pain was delivered via intraluminal oesophageal balloon distension (four stimuli at 1 Hz). Significant bilateral but asymmetrical changes in neural activity occurred in the beta-band within SI and SII. In SI, a continuous increase in neural activity occurred during the anticipation phase (20-30 Hz), which continued during the pain phase but at a lower frequency (10-15 Hz). In SII, oscillatory changes only occurred during the pain phase, predominantly in the 20-30 Hz beta band, and were coincident with the stimulus. These data provide novel evidence of functional diversity within SI, indicating a role in attentional and sensory aspects of pain processing. In SII, oscillatory changes were predominantly stimulus-related, indicating a role in encoding the characteristics of the stimulus. We therefore provide objective evidence of functional heterogeneity within SI and functional segregation between SI and SII, and suggest that the temporal and frequency dynamics within cortical regions may offer valuable insights into pain processing.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.

Topographic plasticity in primary visual cortex is mediated by local corticocortical connections

The placement of monocular laser lesions in the adult cat retina produces a lesion projection zone (LPZ) in primary visual cortex (V1) in which the majority of neurons have a normally located receptive field (RF) for stimulation of the intact eye and an ectopically located RF ( displaced to intact retina at the edge of the lesion) for stimulation of the lesioned eye. Animals that had such lesions for 14 - 85 d were studied under halothane and nitrous oxide anesthesia with conventional neurophysiological recording techniques and stimulation of moving light bars. Previous work suggested that a candidate source of input, which could account for the development of the ectopic RFs, was long-range horizontal connections within V1. The critical contribution of such input was examined by placing a pipette containing the neurotoxin kainic acid at a site in the normal V1 visual representation that overlapped with the ectopic RF recorded at a site within the LPZ. Continuation of well defined responses to stimulation of the intact eye served as a control against direct effects of the kainic acid at the LPZ recording site. In six of seven cases examined, kainic acid deactivation of neurons at the injection site blocked responsiveness to lesioned-eye stimulation at the ectopic RF for the LPZ recording site. We therefore conclude that long-range horizontal projections contribute to the dominant input underlying the capacity for retinal lesion-induced plasticity in V1.

A study of pyramidal cell structure in the cingulate cortex of the macaque monkey with comparative notes on inferotemporal and primary visual cortex

Recent studies have revealed a marked degree of variation in the pyramidal cell phenotype in visual, somatosensory, motor and prefrontal cortical areas in the brain of different primates, which are believed to subserve specialized cortical function. In the present study we carried out comparisons of dendritic structure of layer III pyramidal cells in the anterior and posterior cingulate cortex and compared their structure with those sampled from inferotemporal cortex (IT) and the primary visual area (V1) in macaque monkeys. Cells were injected with Lucifer Yellow in flat-mounted cortical slices, and processed for a light-stable DAB reaction product. Size, branching pattern, and spine density of basal dendritic arbors was determined, and somal areas measured. We found that pyramidal cells in anterior cingulate cortex were more branched and more spinous than those in posterior cingulate cortex, and cells in both anterior and posterior cingulate were considerably larger, more branched, and more spinous than those in area V1. These data show that pyramidal cell structure differs between posterior dysgranular and anterior granular cingulate cortex, and that pyramidal neurons in cingulate cortex have different structure to those in many other cortical areas. These results provide further evidence for a parallel between structural and functional specialization in cortex.

Investigating the functional properties of the somatosensory cortex during experimental visceral pain using magnetoencephalography

Background The somatosensory cortex has been inconsistently activated in pain studies and the functional properties of subregions within this cortical area are poorly understood. To address this we used magnetoencephalography (MEG), a brain imaging technique capable of recording changes in cortical neural activity in real-time, to investigate the functional properties of the somatosensory cortex during different phases of the visceral pain experience. Methods In eight participants (4 male), 151-channel whole cortex MEG was used to detect cortical neural activity during 25 trials lasting 20 seconds each. Each trial comprised four separate periods of 5 seconds in duration. During each of the periods, different visual cues were presented, indicating that period 1=rest, period 2=anticipation, period 3=pain and period 4=post pain. During period 3, participants received painful oesophageal balloon distensions (four at 1 Hz). Regions of cortical activity were identified using Synthetic Aperture Magnetometry (SAM) and by the placement of virtual electrodes in regions of interest within the somatosensory cortex, time-frequency wavelet plots were generated. Results SAM analysis revealed significant activation with the primary (S1) and secondary (S2) somatosensory cortices. The time-frequency wavelet spectrograms showed that activation in S1 increased during the anticipation phase and continued during the presentation of the stimulus. In S2, activation was tightly time and phase-locked to the stimulus within the pain period. Activations in both regions predominantly occurred within the 10–15 Hz and 20–30 Hz frequency bandwidths. Discussion These data are consistent with the role of S1 and S2 in the sensory discriminatory aspects of pain processing. Activation of S1 during anticipation and then pain may be linked to its proposed role in attentional as well as sensory processing. The stimulus-related phasic activity seen in S2 demonstrates that this region predominantly encodes information pertaining to the nature and intensity of the stimulus.

A Probabilistic Approach to the Primary Visual Cortex

What can the statistical structure of natural images teach us about the human brain? Even though the visual cortex is one of the most studied parts of the brain, surprisingly little is known about how exactly images are processed to leave us with a coherent percept of the world around us, so we can recognize a friend or drive on a crowded street without any effort. By constructing probabilistic models of natural images, the goal of this thesis is to understand the structure of the stimulus that is the raison d etre for the visual system. Following the hypothesis that the optimal processing has to be matched to the structure of that stimulus, we attempt to derive computational principles, features that the visual system should compute, and properties that cells in the visual system should have. Starting from machine learning techniques such as principal component analysis and independent component analysis we construct a variety of sta- tistical models to discover structure in natural images that can be linked to receptive field properties of neurons in primary visual cortex such as simple and complex cells. We show that by representing images with phase invariant, complex cell-like units, a better statistical description of the vi- sual environment is obtained than with linear simple cell units, and that complex cell pooling can be learned by estimating both layers of a two-layer model of natural images. We investigate how a simplified model of the processing in the retina, where adaptation and contrast normalization take place, is connected to the nat- ural stimulus statistics. Analyzing the effect that retinal gain control has on later cortical processing, we propose a novel method to perform gain control in a data-driven way. Finally we show how models like those pre- sented here can be extended to capture whole visual scenes rather than just small image patches. By using a Markov random field approach we can model images of arbitrary size, while still being able to estimate the model parameters from the data.

Tactile processing in human somatosensory and auditory cortices

Tactile sensation plays an important role in everyday life. While the somatosensory system has been studied extensively, the majority of information has come from studies using animal models. Recent development of high-resolution anatomical and functional imaging techniques has enabled the non-invasive study of human somatosensory cortex and thalamus. This thesis provides new insights into the functional organization of the human brain areas involved in tactile processing using magnetoencephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI). The thesis also demonstrates certain optimizations of MEG and fMRI methods. Tactile digit stimulation elicited stimulus-specific responses in a number of brain areas. Contralateral activation was observed in somatosensory thalamus (Study II), primary somatosensory cortex (SI; I, III, IV), and post-auditory belt area (III). Bilateral activation was observed in secondary somatosensory cortex (SII; II, III, IV). Ipsilateral activation was found in the post-central gyrus (area 2 of SI cortex; IV). In addition, phasic deactivation was observed within ipsilateral SI cortex and bilateral primary motor cortex (IV). Detailed investigation of the tactile responses demonstrated that the arrangement of distal-proximal finger representations in area 3b of SI in humans is similar to that found in monkeys (I). An optimized MEG approach was sufficient to resolve such fine detail in functional organization. The SII region appeared to contain double representations for fingers and toes (II). The detection of activations in the SII region and thalamus improved at the individual and group levels when cardiac-gated fMRI was used (II). Better detection of body part representations at the individual level is an important improvement, because identification of individual representations is crucial for studying brain plasticity in somatosensory areas. The posterior auditory belt area demonstrated responses to both auditory and tactile stimuli (III), implicating this area as a physiological substrate for the auditory-tactile interaction observed in earlier psychophysical studies. Comparison of different smoothing parameters (III) demonstrated that proper evaluation of co-activation should be based on individual subject analysis with minimal or no smoothing. Tactile input consistently influenced area 3b of the human ipsilateral SI cortex (IV). The observed phasic negative fMRI response is proposed to result from interhemispheric inhibition via trans-callosal connections. This thesis contributes to a growing body of human data suggesting that processing of tactile stimuli involves multiple brain areas, with different spatial patterns of cortical activation for different stimuli.